《电信传输原理》课件第5章 无线传输理论

第5章无线传输理论信源编码以降低对信道传输带宽的要求；信道编码用于提高信道可靠性；调制以适应不同传输设备；加密不仅是为军政通信的需要，在商业、乃至个人通信方面也是重要；链路（或信道）容量的评价也是非常重要的问题。☆构成无线传输系统的关键性问题：内容提要3无线电波传输理论无线传播损耗无线传输中的噪声与干扰无线传输的多址方式5.1无线电波传输理论电磁波（总称）可按频率和波长划分为：无线电波、红外线、可见光、紫外线以及X射线等。电磁波会产生电磁辐射，能用于通信的无线电频率范围约100kHz~100GHz以上。电磁波传播主要分为：中长波地表波传播、超短波以及微波视距传播、短波电离层反射、对流层散射、电离层散射等。5.1.1.电磁波常见传播模式在传输线导行的电磁波的类型（称为模式或场结构或场分布），按其有无纵向场分量Ez和Hz，可分为四类：一．横电磁波（TEM波）

这种波在传播方向Z上既无纵向电场Ez分量又无纵向磁场Hz分量，即Ez=0且Hz=0。电场、磁场分量都在横截面上与传播方向垂直。这种模式存在于：双导体传输线、同轴线、带状线以及无线传输（无界空间理想介质）中。二．横电波（TE波）

这种波的Ez=0，其电场分量与传播方向垂直，但Hz≠0。这种模式存在于金属波导中。三．横磁波（TM波）

这种波的Hz=0，其磁场分量与传播方向垂直，但Ez≠0。这种模式存在于金属波导中。5四．EH波或HE波（混合模）

这种波的Ez≠0且Hz≠0。它们是TE波和TM波的线性叠加，纵向电场占优势的模式称为EH波，纵向磁场占优势的模式称为HE波。这种模式存在于介质波导中。

以上TEM波、TE波、TM波的电场方向及磁场方向与传播方向的关系，如图5-1所示。6图5-1TEM波、TE波、TM波电场及磁场与传播方向关系5.1.2电磁波传播特性从科学的角度来说，电磁辐射是能量的一种，凡是能够释放出能量的物体，都会释放电磁辐射。正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样，人们也看不见无处不在的电磁波，电磁波就是这样一位人类素未谋面的“朋友”。7射频是射频电流，简称RF，是一种高频交流变化电磁波的简称。电磁波频率低于100KHz时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输。电磁波频率高于100KHz时，电磁波在空气中传播，形成远距离传输能力，无线通信就是采用射频传输方式的。有时也把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频信号。电磁波的传播主要有以下特性，这些特性与无线通信密切相关。8趋肤效应射频信号存在于导体中或以波的形式存在于自由空间中。当射频信号存在于导体中时，它只是存在于导体的表面。如果将射频信号放在一个球形的实心导体上，那么它只出现在该导体的表面，不会进入里面，如果可以将一个检测器放在球里面，它将检测不到射频信号的存在。射频信号所呈现的这种行为称为“趋肤效应”。9二.自由空间损耗一旦射频信号逃离导体边界飞翔在自由空间中形成电磁波，它们将经受所谓的自由空间损耗。电磁波的损耗与我们学习过的电路损耗是不同的，从“路”的概念发展到“场”的概念。

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以光为例子来进行分析，打开一个手电筒的电源开关后，光从手电筒射出后开始发散。

如果将食指和拇指搭成一个圆圈放在手电筒跟前，几乎所有的光线都可以从圆圈中通过。但当这个圆圈离开手电筒一定距离之后，部分光线就不会从圆圈中通过了，实质上，所有的光仍然在那里，只不过发散的范围更大了。把这个圆圈想像成一个接收机，离得越远，所接收的光（信号）就越少。

所以对于接收机来说，类似于要接收从手电筒（发射机）发射出的光。距离远的接收机接收的信号功率仅仅是发射机辐射功率的一小部分，大部分能量都向其它方向扩散了，这就是自由空间损耗的概念。11三.吸收除了自由空间损耗以外，射频信号在空间传播所遇到的任何东西都会使射频信号发生一定形式的变化。这些变化归为两种：变得更小（吸收）或者改变传播方向（反射）。射频所遇到的很多物体都会使射频信号变得更小，包括空气、雨雪、玻璃、墙、木头甚植物。我们可以把这些物体看成具有一定插入损耗的某种类型的无源器件，这些物体所表现出来的插入损耗称为吸收，因为它们吸收了射频信号。12射频信号穿过物体损失的能量到哪里去了？它们被物体吸收并变成热量了！物体会变暖，当然它的温度变化很小，我们很难测量得到。我们日常生活使用的微波炉恰恰是利用了射频信号的吸收来工作的。13四.反射不是所有东西遇到电磁波后都要吸收射频能量。有的东西遇到射频后会改变射频信号的方向，这种方向的改变叫做反射。一般射频信号会以遇到物体时相反的角度反射回去，就像光在镜子表面的反射一样。反射与两个因素有关：射频频率和物体的材料。有些材料只是以一定程度反射射频信号（还有一部分被吸收），如混凝土，而有些材料会发生完全反射，如金属导体。14内容提要15无线电波传输理论无线传播损耗无线传输中的噪声与干扰无线传输的多址方式5.2无线传播损耗在有线传输信道中，电信号封闭在相对固定的导线中传输，其起点和终点的截面积近似相等，因此其单位面积上的功率变化仅仅受制于传输过程中介质对电信号的衰减。在无线信道中，电磁波离开天线后向四面八方扩散，随着传播距离增加，电磁波能量分布在越来越大的面积上。在天线辐射的总能量—定时，离开天线的距离越远，空间的电磁场就越来越弱。假设发射天线置于自由空间中，若天线无方向性，辐射功率为P（单位为W），则距离辐射天线d（单位为m）处的电场强度有效值E0为：（5-1）上式表明，电场强度与传播距离成反比。随着传播距离的增加使电场强度逐渐减弱的现象，完全是出于电波在自由空间传播时能量的扩散而引起。电磁波在大气中传播，实际上会遇到各种介质、导体或半导体，因而会损耗一部分能量，这种现象叫做电磁波能量吸收。考虑电磁波能量吸收，空间任一点的场强将小于E0值。无线传输损耗包括：自由空间损耗、大气吸收损耗、降雨引起的损耗以及由折射、散射与绕射、电离层闪烁与多径等引起的附加损耗，其中最主要的是自由空间传播损耗。5.2.1自由空间传播损耗1.自由空间传播损耗的计算自由空间是一种抽象空间，通常是指充满均匀、无耗媒质的无限大空间。无线电波在自由空间传播不产生电磁波的吸收、散射、折射和反射等现象。在自由空间中，只考虑无线电波从源点到目的点由电波传播带来的损耗。电波在自由空间传播时，其能量向四面八方扩散。对于无线通信系统来说，由于信号接收装置的接收面积有限，因此只能接收其中的一部分能量。当总能量保持不变，相对于发射端的发射能量，接受能量实际上减少。5.2.1自由空间传播损耗一个各向均匀接收的天线，其有效接收面积为：一个无方向性天线在B点收到的功率为：或由电磁场理论可知，若无方向性（也称全向天线）天线的辐射功率为PT瓦，则距辐射源d米的接收点B处的单位面积上的电波平均功率为：（5-2）（5-3）205.2.1自由空间传播损耗（5-5）自由空间的传播损耗定义为：式中，d为收、发天线的距离，f为发信频率。若发射天线增益为GT，接收天线增益为GR，则式（5.5）改写为：（5-4）215.2.1自由空间传播损耗例5-1

某微波中继传输信道，发射天线的增益为22dB，接收天线的增益为18dB，收发距离为14500km，载波中心频率为5.904GHz。求：

（1）该信道的基本传输损耗为多少?

（2）若发射功率为25W，接收机接收功率为多少?解：（1）该信道的基本传输损耗为：（2）接收机接收功率为：225.2.1自由空间传播损耗2.自由空间传播条件下收信功率的计算无线通信实际使用的天线均为定向天线；收发天线增益分别为：[GR]（dB），[GT]（dB）；收发天线馈线系统损耗分别为：[Lr]（dB），[Lt]（dB）；自由空间传播条件下，接收机接收功率为：例5-2某微波中继传输信道，已知发射功率PT=1W，发信频率f=3800MHz，收发距离为45km，[GT]=38dB，[GR]=40dB，馈线系统损耗[Lr]=1（dB），[Lt]=3（dB），求自由空间传播条件下的收信功率。235.2.1自由空间传播损耗将PT=1W换成电平值：解：245.2.2自然现象引起的损耗1.大气吸收损耗大气吸收引起的损耗主要与电波的频率、地面站天线波束的仰角、地面站的海拔高度及水蒸气密度（绝对湿度）有关。当电波频率低于12GHz时，该损耗可以忽略不计；当电波频率高于12GHz时，随着频率的提高，该损耗将显著增加，进行线路计算时应考虑在内。如图5-3所示。图5-2水蒸气和氧吸收衰减255.2.2自然现象引起的损耗2.雨雾引起的散射损耗降雨引起的电波传播损耗的增加称为雨衰，雨衰是由于雨滴和雾对无线电波能量的吸收和散射产生的。雨雾中的小水滴能散射电磁波能量而造成散射衰耗。图5-3雨雾的散射损耗265.2.3自然现象引起的损耗在浓雾情况下，波长大于4cm(7500MHz)、站距为50km的散射损耗约为3.3dB。一般来说，10GHz以下频段，雨雾的散射衰耗还不太严重，通常两站之间的衰耗也只有几分贝。10GHz以上频段，中继站之间距离将主要受降雨衰耗所限制，在20GHz（波长为1.5cm）以上时，中继站站距只好缩减到几千米。在设计微波或者卫星等通信系统时，为考虑降雨引起的影响，应事先留有2dB左右的发射功率余量。由图5-3可知：275.2.2自然现象引起的损耗3.大气折射引起的损耗离地表越高，大气密度越低，对电波的折射率减小，使电磁波在大气层中的传播路径出现弯曲（卫星位置）。温度的变化、云雾等也导致大气密度分布不连续和起伏，使传播路径产生随机、时变的弯曲，引起接收信号的起伏（此外，低仰角：相互干扰）。4.电离层、对流层闪烁引起的损耗电离层内存在电子密度的随机不均匀性而引起闪烁，其强度大致与频率的平方成反比。因此，电离层闪烁会对较低频段（1GHz以下）的电波产生明显的散射和折射，从而引起信号的衰落。比如，对于200MHz的工作频率，电离层闪烁使信号损耗有10％的时间大于6dB。285.2.3多径传播引起损耗地面和环境设施对信号的反射，可形成信号的多径传播。天线高度低，增益小的移动终端更容易出现多径传播。信号通过多径信道到达接收端时，由于不同路径的信号延时不一样，接收端多径信号可能同相叠加，合成信号增强；也可能各个多径信号反相抵消，合成信号被减弱，从而形成接收信号的衰落。实际系统总是将收发天线相互对准，以便收方接收到较强的直射波。天线的方向性受限，因此不可避免多径传输。接收点除收到直射波外，还会收到由地面反射的波（反射角等于入射角），下面推导一下由直射波和反射波在收信点产生的合成场强。5.2.4多径传播引起损耗图5-4平坦地面的电波反射设E0为自由空间传播时，直射波到达R处的电场强度有效值，则直射波电场强度的瞬时值为：反射波与直射波路程差为：305.2.4多径传播引起损耗反射波到达R处场强的瞬时值为：式中，

为反射系数的模；

ρ为反射系数的相位；为反射波与直射波之间的总相位差。按平行四边形法则求得接收点R处，电场强度矢量和的有效值E为：5.2.4多径传播引起损耗将合成电场强度有效值E与自由空间的直射波电场强度有效值E0之比称为地面反射引起的衰落因子Lk，表示为：一般入射角

很小，

而

（全反射）：（5.13）考虑地面发射影响，实际的收信点功率电平为：[Pr](dBm)=[Pr0](dBm)+[Lk](dB)

式中，Pr0(dBm)为未考虑地面影响时的直射波收信功率。325.2.4多径传播引起损耗将式（5.13）的Lk～Δr（路程差）关系，绘出曲线如图5-5所示。由图可见，随着Δr的变化，收信点电场E可从零变化到2E0，E=0出现在Δr=λ，2λ，…时，应尽量避免。图5-5Lk～

r关系曲线内容提要33无线电波传播特征无线电波传播损耗无线传输中的噪声与干扰无线传输的多址方式噪声干扰的分类噪声干扰原因34按照噪声干扰来源，噪声干扰可分为以下三类：一、外部噪声干扰1.概念

在无线通信接收机外部产生并进入无线通信接收机的噪声。2.分类一是近地噪声；二是太阳系噪声；三是宇宙噪声。一般来说，近地噪声对无线通信系统的影响最大。5.3.1噪声干扰的分类二、内部噪声干扰

内部噪声干扰是抗干扰无线通信接收机本身产生的各种噪声，包括天线噪声、馈线噪声、收发开关噪声、前端低噪声放大器噪声、前端其他放大器噪声、量化噪声等。

一般来说，天线噪声、馈线噪声、收发开关噪声、前端低噪声放大器噪声占无线通信接收机内部噪声中的比例最重。35三、人为噪声干扰

人为噪声干扰是指人类活动所产生的对通信造成干扰的各种噪声。包括工业噪声和无线电噪声。如各种电器开关通断时产生的短脉冲、荧光灯闪烁产生的脉冲串、其他无线电系统产生的信号等。3637一、外部噪声

在无线通信传输过程中，能对无线通信传输产生干扰的因素很多，其中大部分的干扰因素来源于外部噪声，主要包括宇宙、太阳及其余的方面，并且具有强度大、时间短等特点。

在传输过程中，应针对性采取措施才能将其克服。另外，人为因素中的车辆、电器及高压输电线等噪声，也是外部噪声的主要来源。这一部分噪音与频率有着直接关系，同时也会受到外界环境的影响。因此为了降低这一类干扰的影响，需要采取一些屏蔽方式来降低干扰。5.3.2噪声干扰的原因二、通信设备本身在传输过程中，因为通信设备本身的原因，也可能对传输造成一定的干扰，如，收信机、发信机被干扰或者是天线内部出现缺陷。尤其是在工作过程中，通信设备极易产生噪声，影响信号的传输。另外，由于电路内部被外界干扰物质侵入，而内部又缺少先进的过滤设备，使得杂乱的电磁波影响到信号的正常传输。对于这样的干扰，就可以通过通信设备改良的措施提供通信设备性能，有效降低通信设备自身的干扰。38三、通信网络各个电台发出的信号会相互影响，尤其是在同时工作时，更容易出现同频干扰、信号阻碍或者邻道干扰，个别情况还会出现互调干扰。一旦产生这几类型干扰，就需要采取改善措施。四、网络间在同一个区域之内有众多通信网络，由于通信网的不同，也会在彼此之间产生干扰，这些干扰就会影响信号的传输。面对这一类情况，就需要在组网之前勘察当地的实际情况，对周围的频点有充分地了解，才能确保组网设计的合理性。39内容提要40无线电波传输理论无线传播损耗无线传输中的噪声与干扰无线传输的多址方式5.4无线通信的多址连接及工作方式无线通信的两种传输方式：点对点与广播型。广播通信是一点对多点通信。信号传输一个很重要的问题就是如何充分地利用信道。在两点之间的同一条信道上同时传送不同的多个信号而不互相干扰，这是信道的“多路复用”。多路复用技术在地面微波中继通信中已经普遍应用，目前常用的多路复用方式有频分多路复用（FDM）、时分多路复用（TDM）、码分多路复用（CDM）、空分多路复用（SDM）等方式。在多点之间实现互不干扰和影响的多边通信称为“多址通信”或“多址连接”。多址连接是实现多个站(众多移动用户)间共同使用公共传输信道相互通信，主要是在射频信道上进行分割。(不等同于多路复用)5.4.1频分多址（FDMA）方式频分多址（FDMA，FrequencyDivisionMultipleAccess）使用较早，被广泛应用于卫星通信、移动通信、一点多址微波通信系统中。技术核心是把传输频带划分为较窄的且互不重叠的多个子频带，每个用户都被分配到一个独立的子频带中；各用户采用滤波器，分别按分配的子频带从信道上提取信号，实现多址通信。FDMA通信系统的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号；任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转，因而必须占用4个频道才能实现双工通信。不过，移动台在通信时所占用的频道并不是固定指配的，它通常是在通信建立阶段由系统控制中心临时分配的，通信结束后，移动台将退出它占用的频道，这些频道又可以重新分配给别的用户使用。435.4.1频分多址（FDMA）方式FDMA特点是技术成熟、稳定、容易实现且成本较低。主要缺点是频谱利用率较低，每个用户(远端站)都要占用一定的频带，尤其在空中带宽资源有限的情况下，FDMA系统组织多扇区基站会遇到困难。单纯采用FDMA作为多址接入方式已经很少见，实用系统多采用TDMA方式或采用FDMA+TDMA方式。图5-7为频分多址方式的原理图。45图5-7频分多址方式的原理示意图5.4.2时分多址（TDMA）方式时分多址（TDMA，TimeDivisionMultipleAccess）是在给定频带的最高数据传输速率的条件下，把传递时间划分为若干时间间隙即时隙，各用户按照分配的时隙，以突发脉冲序列方式接收和发送信号。图5-8TDMA方式工作原理示意图同FDMA通信系统比较，具有以下特点：①TDMA通信系统的基站只需要一部发射机，可以避免像FDMA系统那样因多部不同频率的发射机同时工作而产生的互调干扰；②频率规划简单，有利于加强通信网络的控制功能和保证移动台的越区切换。475.4.3码分多址（CDMA）方式码分多址（CDMA，CodeDivisionMultipleAccess）是利用信号结构的正交性来鉴别有用信号的多址方式。在码分多址（CDMA）系统中，站址的划分是根据各站的码型结构不同来实现的。各地球站可以使用相同的载波频率，占用同样的射频带宽，在任意时间内发射信号。一般选择伪随机（PN）码作地址码。一个地球站发出的信号，只能用与它相关的接收机才能检测出来。CDMA实际是一种扩频系统。CDMA蜂窝移动通信系统与FDMA模拟蜂窝通信系统或TDMA数字蜂窝移动通信系统相比具有更大的系统容量、更高的话音